L'ordinateur quantique résout un problème vieux de plusieurs décennies trois millions de fois plus rapidement
L'ordinateur quantique résout un problème vieux de plusieurs décennies trois millions de fois plus rapidement qu'un ordinateur classique,
Selon une récente étude de la société D-Wave
Les scientifiques de la société d'informatique quantique D-Wave ont démontré qu'en utilisant une méthode appelée recuit quantique, ils pouvaient simuler certains matériaux jusqu'à trois millions de fois plus rapidement qu'il ne le faudrait avec les méthodes classiques correspondantes. Ce travail a notamment été réalisé sur une application pratique ayant des implications dans le monde réel, en simulant les phénomènes topologiques à l'origine du prix Nobel de physique de 2016. Cet avantage en termes de performances est une étape importante dans le cheminement vers un avantage en termes d'applications dans le domaine de l'informatique quantique, selon l’étude publiée le mois dernier.
En collaboration avec des chercheurs de Google, les scientifiques de D-Wave ont entrepris de mesurer la vitesse de simulation dans l'un des processeurs de recuit quantique de la société, et ont constaté que les performances augmentaient à la fois avec la taille de la simulation et la difficulté du problème, pour atteindre une vitesse un million de fois supérieure à celle qui pourrait être obtenue avec un processeur classique.
Il faut noter que le calcul auquel les équipes de D-Wave et de Google se sont attaquées est un problème du monde réel ; en fait, il a déjà été résolu par les lauréats du prix Nobel de physique de 2016, Vadim Berezinskii, J. Michael Kosterlitz et David Thouless, qui ont étudié le comportement du "magnétisme exotique", qui se produit dans les systèmes magnétiques quantiques. Les prix Nobel ont utilisé des méthodes mathématiques avancées pour décrire, dans les années 1970, les propriétés d'un aimant quantique bidimensionnel, qui a mis en lumière les états "exotiques" que peut prendre la matière.
Au lieu de prouver la suprématie quantique, ce qui se produit lorsqu'une entreprise amène un ordinateur quantique à un niveau de calcul auparavant impossible à atteindre avec les moyens classiques, les dernières recherches de D-Wave démontrent que les processeurs de recuit quantique de la société peuvent conduire à un avantage en termes de performances de calcul.
Les processeurs de D-Wave sont basés sur la technologie de recuit quantique, qui est une technique de calcul quantique utilisée pour trouver des solutions aux problèmes d'optimisation. Bien que la portée des problèmes pouvant être résolus par cette technologie est limitée, selon certains, les processeurs de recuit quantique sont plus faciles à contrôler et à faire fonctionner que leurs équivalents d’autre technologie. Ce qui explique pourquoi la technologie de D-Wave a déjà atteint un nombre de qubits beaucoup plus élevé que celui des appareils construits par les grands acteurs comme IBM ou Google.
Selon le rapport de l’étude, pour simuler le magnétisme exotique, Andrew King, directeur de la recherche sur les performances chez D-Wave, et son équipe ont utilisé le système D-Wave de 2000 qubits, récemment révisé pour réduire le bruit, afin de modéliser un système magnétique quantique programmable, tout comme Berezinskii, Kosterlitz et Thouless l'ont fait dans les années 1970 pour observer les états inhabituels de la matière. Les chercheurs ont également programmé un algorithme classique standard pour ce type de simulation, appelé "Path integral Monte Carlo" (PIMC), afin de comparer les résultats quantiques avec les calculs effectués par le CPU. Selon le rapport, la simulation quantique a surpassé de loin les méthodes classiques.
« Ce travail est la preuve la plus claire à ce jour que les effets quantiques procurent un avantage informatique aux processeurs de D-Wave », a-t-il déclaré. « Ce que nous voyons est un énorme avantage en termes absolus », a-t-il ajouté. « Cette simulation est un vrai problème auquel les scientifiques se sont déjà attaqués en utilisant les algorithmes que nous avons comparés, marquant ainsi une étape importante et une base importante pour le développement futur. Cela n'aurait pas été possible aujourd'hui sans le processeur à faible bruit de D-Wave ».
Une recherche réalisée sur une application pratique ayant des implications dans le monde réel
Selon l'équipe de D-Wave, le fait que les processeurs de recuit quantique aient été utilisés pour une application pratique, au lieu d'une preuve de concept ou d'un problème synthétique peu pertinent dans le monde réel, est tout aussi important que l'étape de performance. Jusqu'à présent, les méthodes quantiques ont surtout été utilisées pour prouver que la technologie a le potentiel de résoudre des problèmes pratiques, et qu'elle doit encore être prouvée dans le monde réel. Au lieu de cela, la dernière expérience de D-Wave a permis de résoudre un problème important qui intéresse les scientifiques indépendamment de l'informatique quantique.
Les résultats des travaux, publiés le 18 février dans Nature Communications, ont déjà attiré l'attention des scientifiques du monde entier :
« La recherche d'un avantage quantique dans les calculs devient de plus en plus vivante, car il existe des problèmes particuliers où de véritables progrès sont réalisés. Ces problèmes peuvent sembler quelque peu artificiels même pour les physiciens, mais dans ces travaux issus d'une collaboration entre D-Wave Systems, Google et l'Université Simon Fraser, il apparaît que le recuit quantique à l'aide d'un processeur spécial présente un avantage par rapport aux simulations classiques pour le problème plus "pratique" de trouver l'état d'équilibre d'un aimant quantique particulier », a déclaré Gabriel Aeppli, professeur de physique à l'ETH Zürich et à l'EPF Lausanne.
« Les technologies quantiques naissantes ne deviennent des outils pratiques que lorsqu'elles laissent leurs homologues classiques dans la poussière pour résoudre les problèmes du monde réel », a déclaré Hidetoshi Nishimori, professeur à l'Institute of Innovative Research de l'Institut de technologie de Tokyo. « Un pas clé dans cette direction a été accompli dans cet article en fournissant des preuves claires d'un avantage d'échelle du recuit quantique par rapport à un concurrent informatique classique imprenable dans la simulation des propriétés dynamiques d'un matériau complexe. J'adresse mes sincères applaudissements à l'équipe ».
King a souligné qu'il est encore possible de concevoir des algorithmes hautement spécialisés pour simuler le modèle une fois que les propriétés du modèle sont déjà connues. La véritable signification de l'expérience réside dans la preuve qu'un avantage informatique peut déjà être obtenu en utilisant les méthodes quantiques existantes pour résoudre un problème précieux en science des matériaux.
« Ces expériences constituent une avancée importante dans ce domaine, car elles permettent de mieux comprendre le fonctionnement interne des ordinateurs D-Wave et montrent un avantage d'échelle par rapport à leur principal concurrent classique », a déclaré King. « Toutes les plateformes d'informatique quantique devront passer ce genre de contrôle sur la voie d'une adoption généralisée ».
« La démonstration réussie de phénomènes aussi complexes est, à elle seule, une preuve supplémentaire de la programmabilité et de la flexibilité de l'ordinateur quantique de D-Wave », a déclaré Alan Baratz, PDG de D-Wave. « Mais ce qui est peut-être encore plus important, c'est le fait que cela n'a pas été démontré sur un problème de synthèse ».
« Nous devons toujours faire deux choses : faire progresser la science et augmenter les performances de nos systèmes et technologies pour aider les clients à développer des applications ayant une valeur commerciale réelle. Ce type de percée scientifique de notre équipe est en accord avec cette mission et témoigne de la valeur émergente qu'il est possible de tirer de l'informatique quantique aujourd'hui ».
Bien que le système D-Wave de 2000 bits ait été utilisé pour la recherche en raison des taux de bruit plus faibles de la technologie, la société a récemment mis sur le marché un processeur quantique de 5 000 bits, qui est déjà disponible pour les programmeurs pour construire des applications quantiques.
De l'amélioration de la logistique des chaînes d'approvisionnement au détail à la simulation de nouvelles protéines pour l'industrie pharmaceutique, en passant par l'optimisation des itinéraires des véhicules dans les rues animées de la ville, D-Wave compte actuellement 250 applications de recuit quantique précoce provenant de divers clients.
Source : Rapport d’étude
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